大尺寸紅外觸摸技術的驅動電路設計與分析

李小哲，胡躍輝，呂國強＊，于芳芳，劉志民，丁小宇

（1.特種顯示技術教育部重點實驗室，特種顯示技術國家工程實驗室，省部共建現(xiàn)代顯示技術國家重點實驗室培育基地，合肥工業(yè)大學 光電技術研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

1 引 言

隨著蘋果公司的iphone、ipad等產(chǎn)品的普及，多點觸摸逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械摹爸鹘恰?，該技術在智能手機、電子數(shù)碼產(chǎn)品、數(shù)字信息展示、便攜式計算機以及工業(yè)控制臺等信息技術領域發(fā)展迅速［1－4］。目前，觸摸屏主要分為兩大類：基于計算機視覺技術與基于傳感器技術［5－6］。其中基于計算機視覺技術的觸摸屏，一般成本較高，適用范圍有限；而基于傳感器技術的觸摸屏應用領域較多，主要分為：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、聲波式觸摸屏和紅外式觸摸屏［7－8］。而紅外觸摸屏與其他觸摸屏相比，具有成本低、透明度高、易于安裝等特點，并且不怕電磁、電流、靜電等干擾，能夠正常工作于惡劣的環(huán)境條件，因此廣泛應用在大尺寸的觸摸屏中［9－10］。但隨著尺寸的增加、距離的變大，紅外觸摸存在驅動能力差、信號不穩(wěn)定的問題，而這些問題將直接導致觸摸點的計算不準確，嚴重影響觸摸屏的精度。

本文設計了一種適用于大尺寸多點觸摸系統(tǒng)的紅外收發(fā)電路，使其能夠提升瞬態(tài)發(fā)射功率，并降低總體功耗，結構簡單、抗干擾能力強、易于實現(xiàn)。

2 實驗原理

紅外觸摸屏由四周的觸摸面板構成，觸摸面板的下表面布滿正交方向的紅外發(fā)射及接收傳感器，發(fā)射傳感器與接收傳感器在位置上一一對應。當有觸摸物體出現(xiàn)時，阻擋了紅外傳感器的傳播光線，接收傳感器接收到的光信號通量減小，將該變化量送入單片機處理，從而判斷出坐標點的位置。但隨著觸摸屏尺寸的加大，發(fā)射傳感器的發(fā)射距離加長，傳統(tǒng)的紅外傳感器的驅動方法不能滿足大尺寸的需求，出現(xiàn)了信號強度弱、觸摸遮擋信號不明顯等問題，從而導致觸摸點識別錯誤，系統(tǒng)分辨率、精度不能達到要求。

為了解決上述問題，我們提出了一種新的適用于大尺寸紅外觸摸屏的硬件驅動方法，該方法能夠有效地解決信號強度弱、坐標點識別不準確的問題，下面將詳細敘述實驗原理和方法。

2.1 紅外發(fā)射電路的驅動原理

紅外發(fā)射電路由選通信號、紅外發(fā)射傳感器（紅外發(fā)射管）、達林頓管及一定阻值的電阻組成，如圖1所示。其中，選通信號1和2由控制芯片提供，需滿足一定的邏輯關系，其邏輯關系如表1所示。

圖1 紅外發(fā)射傳感器驅動電路Fig.1 Infrared emission sensor driver circuit

圖2 紅外發(fā)射傳感器驅動電路等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of infrared emission sensor driver circuit

表1 發(fā)射電路選通信號與傳感器導通關系Tab.1 Relationship between gating signal of transmission circuit and the state of sensor

當選定紅外發(fā)射傳感器工作時，合理選擇R2與R4的阻值使達林頓管Q1與Q2飽和導通，此時的等效電路如圖2所示。在計算過程中，由于U1與U2所在支路電流極小可忽略不計，則選取R1上的電流i1（t）和二極管等效電阻RT上的電流i2（t）為狀態(tài)變量，有：

根據(jù)等效電路圖2列出回路方程：

省略狀態(tài)變量函數(shù)中的符號t，整理得到：

表示成矩陣形式為：

輸出電壓表達式為

用矩陣形式表示輸出方程為

電路中的達林頓管Q1、Q2為性能相同的PNP與NPN管，相對于三極管，達林頓管的驅動能力更強，極易達到飽和狀態(tài)，基極流入電流小，增加芯片的帶負載能力，而流過紅外傳感器的電流可通過改變電阻的阻值來控制，以達到需要的發(fā)光強度。

電路中的R3必不可少，它能夠有效避免電路中的邏輯混亂。當達林頓管Q1未導通時，紅外傳感器的正極通過R3接地，若此處不存在R3的支路，則傳感器正極的狀態(tài)不明確，無法肯定傳感器的導通與否，而傳感器的導通則直接影響接收傳感器的信號，從而影響整個系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性。

2.2 紅外接收電路的驅動原理

紅外接收電路由選通信號、三極管、MOSFET管、紅外接收傳感器（紅外接收管）及電阻構成，如圖3所示。其中，選通信號3與4由控制芯片給出，使其滿足一定的邏輯關系來控制紅外傳感器導通與否，其邏輯關系如表2所示。

圖3 紅外接收傳感器驅動電路圖Fig.3 IR receiver sensor driver circuit

表2 接收電路選通信號與傳感器導通關系Tab.2 Relationship between gating signal of receiver circuit and the state of sensor

當電路處于工作狀態(tài)即選通信號3與4均為低電平時，合理選擇R6與R7的阻值，使Q3、Q4工作在飽和狀態(tài)，同時考慮到芯片的帶負載能力可適當加大R6與R7的阻值，但不能影響Q3與Q4的工作狀態(tài)。此時，紅外傳感器正常工作，將接收到的光信號轉變成電流信號輸出。由于該信號強度較小，后續(xù)電路中應有適當?shù)姆糯鬄V波處理。

PMOS管Q5的工作狀態(tài)由一個與系統(tǒng)時鐘同頻的信號控制，接收傳感器正常工作時，PMOS管處于截止狀態(tài)，電流信號輸出給下一級作放大處理；而在該控制信號的后半個周期，Q5處于開關導通狀態(tài)，可將前半個周期的電流信號迅速與地短路。由于接收管輸出信號為公共信號端，即圖3中Q4的集電極同時并聯(lián)n個接收傳感器的輸出信號，因此此處的Q5顯得極為重要。在時鐘的半個周期傳感器正常工作，另半個周期利用Q5將前一時刻的信號徹底“丟掉”，防止影響下一個接收器信號，提高了信號的完整度，尤其是微小信號，進而提高了信號的靈敏度。

當觸摸屏工作時，發(fā)射電路與接收電路的選通信號按照一定的邏輯關系提供，保證發(fā)射傳感器工作時，相對應的一個或多個接收傳感器同時工作。無觸摸點時，紅外接收傳感器接收到的光信號很強，轉換的電流信號較大；當有觸摸點出現(xiàn)時，傳感器接收到的光信號較小，轉換的電流信號就相應的減小，從而判斷觸摸點的位置。由于在硬件電路中的改進，使得紅外發(fā)射傳感器的發(fā)光強度得到了一定的提高，接收電路中由光信號轉換的電流信號能夠準確、沒有重疊的傳遞，有效的解決了大尺寸情況下，紅外發(fā)射傳感器發(fā)光強度不高，接收傳感器信號微弱識別困難的問題。

3 實驗平臺搭建

為了驗證本文提出的驅動方法的可行性，我們基于PIC32MX440F256H搭建了多個紅外觸摸平臺，控制芯片均為LC4064V5TN100I及74系列芯片等。觸摸平臺適用于127cm（16∶9）LCD，橫軸包含216對紅外傳感器，縱軸包含124對紅外傳感器，其中紅外發(fā)射傳感器選用深圳鑫永誠公司的XYC－IRFI940AC－D4，接收傳感器選用該公司的XYC－PTFI940DC－A4。多個觸摸平臺的區(qū)別在于紅外傳感器的驅動方法不同，其中包括本文提出的驅動方法以及傳統(tǒng)的普通的驅動方法。

實驗中，紅外傳感器均采用脈沖式工作方式，工作波長為940nm。為了保證傳感器工作正常，脈沖驅動電壓占空比需小于等于百分之一。在紅外發(fā)射電路中，選通信號1與2均由74系列芯片按照一定的邏輯提供，為了使達林頓管Q1、Q2均工作在飽和狀態(tài)，配置電路（圖1）中電阻R1阻值為1Ω，R2阻值為6.2kΩ，R3阻值為1kΩ，R4阻值為6.2kΩ。紅外接收電路中，選通信號3與4均由CPLD按照相應的邏輯提供，為了使三極管Q3處于飽和態(tài)、MOSFET管Q4處于開關態(tài)配置電路中R5阻值為2kΩ，R6阻值為4.7kΩ，R7阻值為2kΩ，R8阻值為51Ω。另外，整個觸摸系統(tǒng)采用 USB供電，供電電壓為5V，電流為500mA。

4 實驗結果與討論

普通的驅動方法，如圖4～5所示。圖4為紅外發(fā)射傳感器驅動電路，其中T1為PNP型三極管，T2為NPN型三極管；圖5為其小信號H參數(shù)等效電路，由三極管放大電路的頻率響應得到：

圖4 普通的紅外發(fā)射傳感器驅動電路Fig.4 Ordinary infrared emission drive circuit

圖5 普通的紅外發(fā)射傳感器驅動電路等效電路Fig.5 Equivalent circuit of ordinary infrared emission drive circuit

針對本文提出的紅外觸摸屏的驅動方法與普通的驅動方法，分別進行了實驗測試，并用示波器捕捉了信號波形。實驗結果表明，普通的驅動方法三極管T1處于放大狀態(tài)，T2處于飽和狀態(tài)。圖6為未有遮擋的情況下紅外接收傳感器輸出信號，其中每一個小尖沖代表一個傳感器輸出信號，從圖中可看出，信號的幅度不等，有些幅值過小，表明傳感器接收到的光信號不穩(wěn)定，有些傳感器未接收到信號。而本文所提出的驅動方法，達林頓管Q1與Q2的引腳信號波形圖如圖7～圖8所示，其中（a）為Q1波形圖，（b）為Q2波形圖，由圖中可看出Q1與Q2的3個引腳分別為Ve＞Vc＞Vb，Vb＞Vc＞Ve，均工作在飽和態(tài)。圖9為未有遮擋情況下紅外接收傳感器的輸出信號，從圖中可看出，信號幅值基本一致，表明傳感器接收到的光信號穩(wěn)定，系統(tǒng)工作正常。

圖6 普通驅動方法接收電路輸出信號波形圖Fig.6 Output single waveform of common driving method

圖7 發(fā)射電路中達林頓管Q1三個引腳信號波形圖，其中綠色為基極，紅色為集電極，紫色為發(fā)射極Fig.7 Waveform of Darlington transistor Q1，wherein the base electrode green，red for the collector，the emitter purple

圖9 本文所提驅動方法接收電路輸出信號波形圖Fig.9 Output single waveform of the driving method which propose in this article

由以上實驗表明，本文所提出的紅外觸摸屏的電路設計方法，能夠有效的驅動紅外傳感器，尤其在大尺寸的情況下，相較于普通的驅動方法，紅外發(fā)射傳感器的發(fā)光強度更高，發(fā)射距離更長，接收傳感器的信號更規(guī)整，更能反映出觸摸事件的發(fā)生與否。

5 結 論

在大尺寸的紅外觸摸中，發(fā)射傳感器需要的瞬態(tài)發(fā)射功率較大，小信號狀態(tài)很難滿足設計要求，傳感器需工作在大信號狀態(tài)，因此對大尺寸觸摸屏的信號進行大信號的分析必不可少。為滿足系統(tǒng)整體功耗需求，采用中小功率管實現(xiàn)大功率設計為本文設計的核心。最后，以PIC32MX－440F256H為實驗平臺，搭建了適用于127cm LCD的紅外觸摸系統(tǒng)，并對比傳統(tǒng)的普通的驅動方法，驗證本文提出方法的可行性。實驗結果表明，本文所提出的電路設計方案能夠有效的提高發(fā)射電路的瞬態(tài)功率：瞬態(tài)電流達到500mA，功率達到2 500mW，發(fā)射距離長，接收信號一致性好，為實現(xiàn)大尺寸的紅外多點觸摸提供了保障。

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